射電頻譜日像儀2 m天線設(shè)計

劉 超，牛傳峰，耿京朝，楊國棟，趙東賀

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.射電天文技術(shù)聯(lián)合實驗室，河北石家莊050081)

0 引言

射電天文學(xué)是利用射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)［1］在無線電波段研究來自深空的射電波。新一代厘米－分米波射電日像儀項目的一個主要目標(biāo)是研究太陽高能粒子源區(qū)的特性與輸出;確定太陽高能粒子源區(qū)的不穩(wěn)定磁場位形、位置和其他等離子體參數(shù)的重構(gòu);分析導(dǎo)致太陽劇烈爆發(fā)活動的非穩(wěn)定磁場結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合其他各波段觀測數(shù)據(jù)確定磁場結(jié)構(gòu)及等離子體參數(shù)特點，探測高能粒子輸出的磁場位形，從而研究日冕磁場的動力學(xué)結(jié)構(gòu)與演化。

建設(shè)新一代厘米－分米波射電日像儀將首次在該波段上實現(xiàn)同時以高空間、長時間和高頻率分辨率觀測太陽活動，探測日冕大氣，對于太陽物理研究具有重要作用［2］。同時，隨著我國射電天文事業(yè)的發(fā)展，寬帶、超寬帶雙極化饋源的需求越來越廣泛，在SKA項目中有較廣闊的應(yīng)用前景。

1 天線介紹

射電頻譜日像儀CSRH－II期工程在2～15 GHz頻率范圍內(nèi)高分辨率觀察太陽活動，其科學(xué)研究目標(biāo)包括瞬時高能現(xiàn)象、日冕電磁場以及太陽大氣結(jié)構(gòu)。

由60面口徑為2 m高頻天線組成的天線陣(2～15 GHz)是射電日像儀高頻陣II期工程的重要組成部分，天線的主要特點是:采用新型饋源能同時高效寬帶［3］接收左/右旋圓極化信號［4］;采用赤道式天線座架及高精度步進(jìn)電機(jī)，具有形式簡單、可靠性高、跟蹤精度高以及跟蹤范圍大等優(yōu)勢;由天線控制單元控制天線主瓣波束指向并跟蹤太陽;60套天線可由天線控制計算機(jī)同步控制，也可以由天線控制計算機(jī)單獨控制每部天線;天線系統(tǒng)具有自校準(zhǔn)功能和完善的故障診斷功能。反射面天線的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 2m天線指標(biāo)

2 天線設(shè)計

2．1 系統(tǒng)組成

2 m天線由饋源、天線反射面、天線座架和天線伺服控制裝置組成。饋源支撐采用對稱結(jié)構(gòu)，面板采用板面形式。

天線反射面由整體實板反射面和反射面背架組裝而成，圖1是2 m天線的組成框圖。

圖1 2m天線組成框圖

天線座架由赤經(jīng)支撐座架、赤經(jīng)軸承座組合、赤經(jīng)大齒輪、赤緯托架、赤緯軸承座組合、赤緯大齒輪、赤經(jīng)驅(qū)動裝置、赤緯驅(qū)動裝置、驅(qū)動及齒輪密封箱體和配重等組成;伺服控制由天線監(jiān)控計算機(jī)、天線控制器、天線驅(qū)動單元、控保電路、電源和對外接口等組成。

2．2 天線座架組成

2 m天線座架采用赤道式座架，赤經(jīng)軸平行于地球自轉(zhuǎn)軸［5］，根據(jù)太陽的赤緯角調(diào)整赤緯軸(電動實時跟蹤調(diào)整赤緯角)，使天線對準(zhǔn)太陽，然后轉(zhuǎn)動赤經(jīng)軸，抵消地球的轉(zhuǎn)動，就能使天線始終對準(zhǔn)太陽。天線座架外形圖如圖2所示。

圖2 2 m天線座架外形圖

2．3 天線反射面

2 m天線反射面采用板式前饋拋物面形式。參數(shù)如下:

反射面直徑:D=2 m;

反射面焦徑比:F/D=0．4;

饋源對反射面半照射角:ψm=64°。

2 m天線反射面由由實板反射面、反射體骨架及饋源支撐組成反射面和饋源支撐組成，反射面用1．5 mm的LY12－M鋁板整體旋壓成形，周邊打彎增強(qiáng)其剛度，其特點是:成型簡單、工藝性好，與骨架裝配后具有較高的剛度，一致性好。圖3是2 m天線反射面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 2m天線面結(jié)構(gòu)示意圖

2．4 寬頻帶饋源

寬頻帶饋源采用對數(shù)周期天線為單元，對數(shù)周期天線采用大張角設(shè)計［6］，縮短單個饋源的縱向尺寸，最大限度地減小饋源對反射面天線口徑的遮擋。寬頻帶饋源［7］設(shè)計保留標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)周期天線的非頻變特性，即當(dāng)頻率f連續(xù)變化時，天線的電特性隨著頻率的對數(shù)作周期性變化。

為了獲得對稱的方向圖，以實現(xiàn)對反射面的均勻照射，對于每一個工作頻率f，相同極化天線單元的有效工作區(qū)間距為0．5λ，以實現(xiàn)對稱的E、H波瓣寬度。同時，對于每一個工作頻率f，天線單元的有效工作區(qū)與天線地板的間距為0．16λ，確保天線的相位中心位于天線地板的中心［8］。當(dāng)頻率f連續(xù)變化時，相同極化天線單元的有效工作區(qū)的間距、有效工作區(qū)與天線地板的間距的電長度保持不變，因此寬頻帶饋源［9］可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)對稱的E、H波瓣寬度，穩(wěn)定的相位中心［10］以及優(yōu)良的交叉極化特性等，這是反射面天線饋源的主要技術(shù)指標(biāo)要求。加工的寬帶饋源照片如圖4所示。

圖4 2－15GHz寬帶饋源照片

3 測試結(jié)果

對射電頻譜日像儀2 m天線的方向圖進(jìn)行了測試，圖5、圖6 和圖7 為2 m天線在f=2 GHz、f=8 GHz、f=15 GHz的實測方向圖［11］。從測試結(jié)果中可以看出，第一副瓣電平優(yōu)于－14 dB，滿足指標(biāo)要求。在研制過程中創(chuàng)新性地解決了低損耗饋電技術(shù)、寬頻帶高性能圓極化電橋技術(shù)、饋源的寬帶匹配技術(shù)等，通過一系列措施使天線效率有了較大幅度提高。2 m反射面天線實測效率值如表2所示，可以看出全頻帶內(nèi)效率值大于40%。同國外同類型天線相比，在高頻端效率有優(yōu)勢。

圖5 f=2 GHz天線實測方向圖

圖6 f=8 GHz天線實測方向圖

圖7 f=15 GHz天線實測方向圖

表2 2m天線效率隨頻率變化表

4 結(jié)束語

介紹了一種采用赤道式座架的2 m極軸天線，設(shè)計了寬頻帶雙圓極化饋源，解決了若干關(guān)鍵技術(shù)問題，如寬頻帶圓極化電橋設(shè)計技術(shù)，高效率饋源技術(shù)，低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)以及極軸座架形式等。測試結(jié)果表明指標(biāo)滿足應(yīng)用需求。

［1］ 顏毅華，張堅，陳志軍，等．關(guān)于太陽厘米—分米波段頻譜日像儀(CSRH)研究進(jìn)展［J］．天文研究與技術(shù)，2006，3(2):91 －98．

［2］ YAN Y H，ZHANG J，HUANG G L．On the Chinese Spectral Radioheliograph(CSRH)Project in cm－and dmwave range［C］∥ Radio Science Conference，2004 Asia-Pacific，2004:391 －392．

［3］ 王彩華，陳曉光．一種改進(jìn)的寬帶微帶天線設(shè)計［J］．無線電工程，2011，41(11):43 －45．

［4］ 劉亮，郭健．一種寬帶3 dB耦合器的設(shè)計與分析［J］．無線電工程，2013，43(6):34 －36．

［5］ 張亞林．太陽射電觀測系統(tǒng)的極軸天線座架設(shè)計［J］．無線電通信技術(shù)，2009，35(5):40 －43．

［6］ YANG J，CHEN X，WADEFALK N，et al．Design and Realization of a Linearly Polarized Eleven Feed for 1－10GHz［J］．IEEE Antennas Wireless Propag．Letter，2009，8:64 －68．

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［9］ AGHDAM K M P，F(xiàn)ARAJIDANA REZA，JALIL R M ．The Sinuous Antenna-a Dual Polarized Feed for Reflectorbased Searching Systems［J］．AEUE-International Journal of Electronics and Communications，2005，59(7):392－400．

［10］張志華，陳輝，秦順友，等．饋源喇叭相位中心測量及誤差分析［J］．無線電通信技術(shù)，2011，37(5):28 －30．

［11］ JOHNNSON R C．Antenna Engineering Handbook［M］．USA:McGraw-Hill，inc，1984．